为新兴基因疗法提供技术支持

多年来，研究人员一直试图利用基因疗法的全部潜力，这种技术将基因插入患者的细胞中，以治疗癌症等侵袭性疾病。但是将工程DNA分子放入细胞并不是一件容易的事。

J. Mark Meacham，圣路易斯华盛顿大学机械工程与材料科学助理教授，领导工程与应用科学学院的研究人员团队开发了一种能够有效插入大分子的方法 - 如DNA ，RNA和蛋白质 - 进入细胞并将它们推入细胞核。

通过将称为声学剪切功能(ASP)的技术与电泳相结合，该方法使用超声波和聚焦机械力在细胞膜中产生纳米级孔或孔，其足够大的大分子或纳米颗粒进入细胞内部。

研究人员写道，到目前为止，ASP已经实现了超过75%的大分子输送效率。在基因治疗中最感兴趣的DNA插入或转染显着更具挑战性。然而，由Meacham及其同事开创的机械和电力联合应用使转染与纯机械加工相比大约提高了100%。研究结果发表在科学报告中。

“我们已经使用癌细胞系和患者来源的原代单核细胞证明了我们的穿孔技术，这是一项重要的成就，但最终目标是使用新的组合方法成功修复患者免疫系统中的T细胞，”Meacham说。 。“我们会从患者身上提取细胞，通过我们的设备运行它们并对其进行修改，然后将它们重新引入患者体内。这是个性化医疗和新兴基因疗法的圣杯。”

Meacham的工作是在美国食品和药物管理局于8月批准在美国使用源自患者的免疫细胞进行的第一次基因治疗之后。第二种此类疗法于10月获得FDA批准。新的免疫疗法，称为CAR-T细胞疗法，涉及将一种基因插入患者自身的免疫细胞中，这有助于这些细胞进入并攻击癌细胞。

该疗法被批准用于治疗25岁以下患有急性淋巴细胞白血病(ALL)的儿科患者和患有某些类型的晚期非霍奇金淋巴瘤的成人。华盛顿大学肿瘤学家通过圣路易斯儿童医院的Siteman儿童医院和圣路易斯巴恩斯犹太医院和华盛顿大学医学院的Siteman癌症中心为患者提供治疗。

Meacham说，与将基因传递到细胞中以用于这些基因治疗相关的极端困难促使人们追求有效的转染方法。

“利用机械或电刺激来克服基因转移的细胞障碍的非化学，非病毒方法由于许多原因而引人注目，包括安全性，成本和大规模制造的潜力(或缺乏)。治疗细胞，“他说。“为了使这些方法获得成功，必须在细胞膜中产生足够大的孔，并保持开放足够长的时间以插入分子，同时不破坏或杀死细胞，并将分子输送到细胞的细胞核中。”

Meacham描述了他的系统，该系统是他最初在佐治亚理工学院博士生开发的一种技术，是一种声学驱动的液滴发生器。

“我们采用集中的机械力，例如流体剪切力，使用流体运动推动和拉动细胞，”Meacham说。“我们采用悬浮细胞并使用超声波场通过喷嘴尖端或声学喇叭中的微观收缩来泵送流体。这会产生一种喷雾。悬浮在细胞中的细胞会受到强烈的机械刺激。它们穿过这个狭窄的空间，从喷嘴孔中弹出。“

实验结果表明，该装置在100至150纳米的细胞膜中产生孔，这允许甚至大的有效载荷递送到细胞中。此外，毛孔保持打开长达一分钟，这足以将分子递送到细胞中。Meacham说，该技术几乎可用于任何细胞类型和悬浮介质，以及大多数生物分子和纳米材料。

他说，该设备独特的驱动机制使研究人员能够探索更大范围的剪切速率和电刺激，以针对细胞特异性优化治疗参数。

“我们发现由于流体流动而作用于细胞的声压场和局部剪切应力对于在细胞膜中形成孔是至关重要的，”Meacham说。“当细胞被迫穿过我们设备的喷嘴时，细胞暴露于喷嘴收缩处的短时间，高剪切环境后，观察到最有效的膜穿孔。”